JPH02249269A

JPH02249269A - 焦電型赤外線固体撮像装置とその製造方法

Info

Publication number: JPH02249269A
Application number: JP1070832A
Authority: JP
Inventors: Junko Asayama; 純子朝山; Koji Nomura; 幸治野村; Yoshihiro Tomita; 佳宏冨田; Ryoichi Takayama; 良一高山; Kuni Ogawa; 小川　久仁; Atsushi Abe; 阿部　惇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-03-23
Filing date: 1989-03-23
Publication date: 1990-10-05

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は物体の温度分布を２次元の映像として表示させ
るための焦電型赤外線固体撮像装置とその製造方法に関
するものである。

従来の技術赤外線を検出するセンサとして、従来、赤外線を熱に変
換する焦電材料を用いるものが知られている。このセン
サは冷却不要、感度波長の均一性、といった特徴のため
広く利用されている。このセンサの２次元化について、
光学走査、電子走査、自己走査方式のものが既に種々考
案されている。

我々は先の出願において、例えばＸ方向に配列したｍ個
の焦電型単位センサを直列接続してラインセンサを構成
し、このラインセンナをＹ方向にｎ本配列し、ｍｘｎ　
個の画素を形成する２次元赤外線センサを提案した。第
８図は、この素子の断面構造を示しているが、各単位セ
ンサは、ＰｂＴｌ０ｓ（以下、ＰＴと略す）や、Ｐ　ｂ
＋−ｘＬａ、ＴＩ＋−ｘｚａ０３（以下、ＰＬＴと略す
）等の材料からなり３μｍ程度の膜厚を有する焦電薄膜
２３とその表面及び裏面に設けられた金属電極２２．２
４から構成されている。また、焦電薄膜２３は、熱伝導
係数の小さいセンサ保持膜２５により支持基板２１に接
続されており、前記支托基板２１への熱拡散による信号
の低下を防止している。これらの構造は例えばＭｇＯ基
板上に各々の膜を順次形成した後、・ＭｇＯを反対の面
から除去することにより得られる。

発明が解決しようとする課題前記センサ保持膜２５は、一般にポリイミドを主成分と
する有機物薄膜が用いられていたが、基板２１の周辺部
分だけを残して素子部分をエツチングにより除去する工
程において、焦電薄膜２３の周辺部から中央部に向けて
クラックが発生し、焦電薄膜２３上に形成されている各
電極２２．２４に断線がおこり、信号が出力できなくな
ることがあるという問題があった。

また、膜にたわみが発生し、物体から発する赤外線を各
センサ素子が均一に読みとることが出来ないため信号に
乱れが生じ、感度が低下するという問題もあった。これ
は、焦電薄膜２３と有機物薄膜から成るセンサ保持膜２
５との応力の違いによって発生する。すなわち、焦電薄
膜２３は形成時の温度が６００″Ｃ程度必要であるため
膜中には大きな圧縮応力が生じる。また、焦電薄膜を支
持しているセンサ保持膜２５はポリイミドを主成分とす
る有機物薄膜からなり、そのイミド化のために３００℃
以上で熱処理しており、熱処理前の膜厚の約半分に収縮
して、同様に圧縮応力を生じる。

基板２１のエツチング工程の前には、基板２１によって
膜が支持されていたため焦電薄膜２３及び有機物薄膜２
５の圧縮応力が抑制されていたが、基板２１のエツチン
グ除去後は、各々の膜２２〜２５の応力が異なるため各
々の膜に力が働き、焦電薄膜２３中に存在する欠陥等の
ためにクラックが生じたり、膜全体にたわみが生じたり
するのである。

また、このような構造では支持部がもろいため小さな衝
撃で簡単に破壊されるという問題があうた。

課題を解決するための手段本発明の焦電型赤外線固体撮像装置は、２次元に配列さ
れた第１の電極薄膜群と、この第１の電極薄膜群が一方
の表面に形成されている焦電薄膜と、この焦電薄膜の他
方の表面に前記第１の電極薄膜群の１列を構成する単位
電極薄膜と電気的に直列でかつ前記第１の電極薄膜群と
逆起電力となるように配列された第２の電極薄膜群と、
前記焦電薄膜を支持するように前記第２の電極薄膜群上
に形成されかつ前記焦電薄膜より広面積であるセンサ保
持膜と、前記焦電薄膜に直接接触しないように前記セン
サ保持膜の周辺部と接触している支持基板とで構成され
ている焦電型赤外線固体撮像装置において、前記センサ
保持膜が少なくともポリイミドを主成分とし５μｍ以上
の膜厚を有する有機物薄膜からなることを特徴としてい
る。

また、有機物薄膜は２００℃以下の湿度でイミド化する
のが好ましい。

さらに、センサ保持膜の周辺部の膜厚を、好ましくは５
μｍ以上とし、センサ上での膜厚に比べて厚くしてもよ
い。

このセンサ保持膜の周辺部を厚く形成する方法としては
、周辺部上にレジスト膜を形成してこのレジスト膜がな
くなるまでエツチングす、る方法がある。

また、焦電薄膜の周辺部に形成した第１のセンサ保持膜
と全体を被覆するように形成した第２のセンサ保持膜を
設け、それらの間に第２の電極薄膜群からの取出し電極
を介在させてもよい。

作　　　用本発明の焦電型赤外線固体撮像装置によれば、５μｍ以
上の膜厚を有する有機物薄膜を用いていることにより、
焦電薄膜に生じている圧縮応力をセンサ保持膜が吸収し
て、クラックの発生及び膜のたわみを防止することがで
きるため、高感度で高解像度のセンサを得ることができ
る。

また、を種物薄膜を２００℃以下の温度でイミド化する
ことにより、その圧縮応力が小さくなり、−層効果的で
ある。

さらに、センサ保持膜の周辺部の膜厚を、好ましくは５
μｍ以上としてセンサ上での膜厚に比べて厚くすること
により、周辺部のみの圧縮応力を増加させ、膜のたわみ
を防止して張りのある膜が得られる。

また、周辺部は第１と第２のセンサ保持膜の２層構造と
し、センサ部を第２のセンサ保持膜の一層構造としても
同様の作、用が得られ、さらにそれらの間に取出し電極
を介在させることにより、焦電薄膜とセンサ保持膜の応
力差による断線も防止できる。

実施例以下、本発明の一実施例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図、第２図は本発明の第１の実施例における焦電型
赤外線固体撮像装置を示す断面図及び平面図である。１
は表面に白金などの金属及び、ＰｂＴ１０ａ　（ＰＴ）
やＰ　ｂ＋−８Ｌａ８ＴＩｔ−ｘｚ４０ａ（ＰＬＴ）等
の焦電材料からなる薄膜をエピタキシャル成長できるＭ
ｇＯ等の支持基板である。その表面に所定の薄膜を形成
後、例えば熱燐酸により前記支持基板１中のセンサ形成
領域はエツチング除去される。

２は前記支持基板１上に形成した１００ＯＡ程度の厚さ
の白金等の金属層からなる第１、の電極薄膜群である。

その形状は、例えばＸ方向にｍ個の焦電型単位センサの
第１の電極薄膜群２を接続したラインを構成し、このラ
インをＸ方向にｎ本配列しｍｘｎ個の画素を構成するも
のである。

３は前記支持基板１及び前記第１の電極薄膜群２上に形
成した数μｍの膜厚を有するＰｂＴｌ０３（ＰＴ）やＰ
ｂ＋−ｘＬａｘＴＩ＋−ｘ／ｚｏｓ　　（ＰＬＴ）等か
らなる焦電薄膜で、赤外線吸収による温度変化を電気信
号に変換して検出する赤外線センサとして作用する。

４は前記単位センサ上に形成した５００Ａ程度の厚さの
ＮｌＣｒ等の金属層からなる第２の電極薄膜群である。

その形状は、前記第１の電極薄膜群２、前記第２の電極
薄膜群４、前記焦電薄膜３とで構成される前記単位セン
サがＸ方向にｍ個直列接続してラインセンサを構成し、
このラインセンサをＸ方向にｎ本配列しｍＸｎ個の画素
を形成する２次元赤外線センサとなるようにする。

５は前記第２の電極薄膜４上でかつ前記焦電薄膜３より
も広面積に形成した５μｍ以上の膜厚を有するポリイミ
ドを主成分とする有機物薄膜からなるセンサ保持膜であ
る。これは例えば、周知の感光性ポリイミド樹脂をスピ
ンコードによす全面に塗布し、紫外線により霧光現像し
てパターニングした後、熱処理することにより形成でき
る。

本実施例の焦電型赤外線固体撮像装置においては、セン
サ上で一画素の幅に相当するスリットを一定速度で移動
させ、センサ上に照射する赤外線を走査している。第３
図は焦電型赤外線固体撮像装置とセンサ上に照射する赤
外線を走査するスリット１４との関係を示した図である
。同図に示すように、焦電薄Ｍ３にたわみが生ずるとス
リット１４から前記焦電薄膜３までの距離が各画素によ
って異なるため、赤外線の強度が変化し信号に乱れが生
ずる。ここで、センサ保持膜３上で凹状の部分と凸状の
部分との差をたわみ幅１５とすると、スリット１４と焦
電薄膜３との距離は約５００μｍであり、前記たわみ幅
１５を５０μｍ以下にすることにより信号を正確に検出
できることが経験的にわかっている。

第４図は、センサ保持膜５の膜厚とたわみ幅との関係を
示した図である。これより、センサ保持膜５の膜厚が５
μｍ以上では前記たわみ幅を５０μｍ以下におさえるこ
とができ、信号を正常に読みだすことができることがわ
かる。

このように、前記センサ保持膜５を５μｍ以上に厚くす
ることよって前記焦電薄膜３中に存在する圧縮応力を緩
和あるいは吸収して、膜のたわみを防止することができ
るばかりではなく、クラックの発生も抑えることができ
る。また、センサ支持部６がさらに補強され、赤外線セ
ンサ全体が破壊されにくくなった。この構造によって、
信号の乱れのない高感度の焦電型赤外線固体撮像装置が
得られた。

また、この焦電型赤外線固体撮像装置において、ポリイ
ミドを主成分とする有機物薄膜からなる前記センサ保持
膜３の形成時に２００″Ｃ以下で熱処理することにより
有機物薄膜中に生じる圧縮応力を低下でき、これによる
クラックも防止することがでる。

第５暁は本発明の第２の実施例における焦電型赤外線固
体撮像装置を示す断面図である。すなわち、第１の実施
例と同様のＭｇＯ等の支持基板１．１０００Ａ程度の膜
厚ををする白金等の金属層からなる第１の電極薄膜群２
、ＰｂＴ１０ｚ　（ＰＴ）　’ＰＰｂ＋−、Ｌａ、Ｔ１
＋−−７ｚｏｓ　（ＰＬＴ）等の材料からなる３μｍ程
度の膜厚を有する焦電薄膜３、ＮｌＣｒ等の金属層から
なる５００Ａ程度の膜厚を有する第２の電極薄膜群４と
、ポリイミドを主成分とする有機物薄膜からなる本実施
例に特育のセンサ保持膜７から構成されている。

本実施例のセンサ保持膜７は、周辺部の膜厚がセンサ上
での膜厚に比べて厚くなるように形成されている。この
ような構造により、前記センサ保持膜７の周辺部の−み
の圧縮応力が増加し、焦電薄膜９が内側へ収縮しようと
する圧縮応力に対し外側へ引っ張る力が強化されるため
、膜のたわみが防止でき張りのある膜が得られる。また
、前記センサ保持膜７の周辺部が厚いためセンサ支持部
６の強度が増し、赤外線センサ全体が破壊されにくくな
った。また、センサ上でのセンナ保持膜７は薄く設定さ
れているため、塑性変形が容易となり、センサ保持膜７
と焦電薄膜９とのはがれ等を防止す“る効果もある。こ
の構造によって、信号の乱れのない高感度の焦電型赤外
線固体撮像装置が獲られた。

また、前記センサ保持膜７の周辺部の膜厚を５μｍ以上
厚くしたとき、特に本発明の効果が顕著となり、たわみ
のほとんどないセンサを得ることができた。

第６図（ａ）〜（Ｃ）は、本実施例の焦電型赤外線固体
撮像装置の製造工程を示す断面図である。

（１００）でへき関し鏡面研磨したＭｇＯ単結晶支持基
板１上に、高周波マグネトロンスパッタ法で１００ＯＡ
程度の厚さの白金を形成後、周知のフォトリングラフィ
技術を用いて所定の形状の第１の電極薄膜群２を形成す
る。しかる後、前記Ｍｇｏ単結晶基板１及び第１の電極
薄膜群２上に周知の高周波マグネトロンスパッタ法によ
り焦電薄膜３として０＜ｘ＜０．２　の範囲で、Ｐｂ＋−ＸＬａｘＴｌ＋−ｓ、ｔｓＸＯｓ　　（ＰＬＴ
）を約３μｍ成長させる。雰囲気ガスにはＡｒ（９０％
）と、０ｓ（１０％）との混合ガスを用い、スパッタタ
ーゲットは、（（１−Ｙ）Ｐｂ＋−−ＬａｘＴＩ＋−ａ、ｖｓｘＯａ
＋Ｙ　　ｐｂｏ）の粉末である。良好なＰＬＴ膜が得ら
れる条件はスパッタ時のＲＦ電力が９０Ｗ、ガス圧力が
Ｉ　Ｐ　ａ。

基板温度が８００℃であるう　次に、前記焦電薄膜３上
に周知の真空蒸着法により２００Ａ程度の厚さのＮｌＣ
ｒ等の赤外光の反射率が小さい金属層を形成する。この
後、周知のフォトリソグラフィー技術を用いて所定の形
状の第２の電極薄膜群４を形成する（第６図（ａ）参照
）。

この後、周知の感光性ポリイミド樹脂をスピンコードに
より全面に塗布し、露光現像により焦電薄膜３よりも広
面積にパターニングした後、３００°Ｃで熱処理するこ
とによって、９μｍ程度の膜厚を有するセンサ保持膜９
を形成する。次に、前記センサ保持膜９上の前記焦電薄
膜３の周辺部に５μｍ程度の膜厚を有するレジスト膜８
をエツチングマスクとして形成する（第６図（ｂ）参照
）。

この後、前記レジスト膜８をマスクとして酸素プラズマ
により前記センサ保持膜９の露出部をエツチングする。

エツチング終了点は前記レジスト８が酸素プラズマによ
りすべてエツチング除去されるまでとする。こうして、
前記センサ保持膜７が形成される。この後、前記支持基
板１の裏面周辺部に所定の形状で形成したレジスト膜を
マスクとして、８０℃の熱燐酸により前記支持基板１を
エツチング除去し、前記第１の電極薄膜群２、焦電薄膜
３、センサ保持膜７を露出させセンサの熱容量を減少さ
せる（第６図（Ｃ）参照）。

センサ保持ＷＸ７の周辺部を厚く形成する方法として、
有機物薄膜を用いて前記無電薄膜３の周辺部だけ２層に
形成する方法があるが、この方法では有機物薄膜を２度
形成する必要があり、工程が煩雑である。また、２層の
有機物薄膜間でストレスのため剥離が生じることもある
。しかし、本実施例の製造方法の特徴である、酸素プラ
ズマを用いてレジスト膜８をマスクとしてセンサ保持膜
９の露出部を前記レジスト膜８がすべて除去されるまで
エツチングすることにより、有機物薄膜は１度形成する
だけでよく、レジスト除去工程も除くことができるため
、センサ保持膜７の形成工程の簡略化ができる。よって
、歩留まりよく高感度の焦電型赤外線固体撮像装置を容
易に得ることができる。

第７図は、本発明の第３の実施例における焦電型赤外線
固体撮像装置°の断面図である。すなわち、ＭｇＯ等の
支持基板１．１００ＯＡ程度の膜厚を有する白金等の金
属層からなる第１の電極薄膜群２、　ＰｂＴ１０３（Ｐ
Ｔ）や、Ｐｂ＋−ｘＬａ−Ｔ１＋−ｘ／４０ａ　　（ＰＬＴ）等
の材料からなる３μｍ程度の膜厚を有する焦電薄膜３、
前記焦電薄膜３の周辺部を被覆するように形成されたポ
リイミドを主成分とする有機物薄膜からなる第１のセン
サ保持膜１０１　ＮｌＣｒ等の金属層からなる５００Ａ
程度の膜厚を育する第２の電極薄膜群４と、前記第２の
電極薄膜群２３と電気的に接続されている同じ金属から
なる１０００Ａ程度の膜厚を有する取り出し電極１１と
、センサ素子全体を被覆するように形成されたポリイミ
ドを主成分とする有機物薄膜からなる第２のセンサ保持
膜１２とから構成されている。

先の実施例の構造では、焦電薄膜３上に配列した第２の
電極薄膜群４から電気的に接続されている取り出し電極
が基板１までのび、第２の電極薄膜群４及び取り出し電
極上にセンサ保持膜５が１層形成されていた。この構造
では、取り出し電極が前記センサ保持膜５と焦電薄膜３
とに両方に接触することになり、センサ保持膜５と焦電
薄Ｍ３との境界において応力が違うため焦電薄膜３の端
部の取り出し電極が剥離し断線が生じた。

しかし、本実施例の特徴である取り出し電極１１を挟み
込むように前記第１のセンサ保持Ｍ１０及び前記第２の
センサ保持膜１２を２層構造にすることによって、焦電
薄膜３の端部と取り出し電極１１が接触しないため取り
出、し電極１１の剥離を防止できることができる。また
、焦電薄膜３の周辺部と接触しているセンサ保持膜１０
．１２が２層構造になっているため、前記焦電薄膜３が
内側へ収縮しようとする圧縮応力に対して外側へ引っ張
る力が強化されるた゛め、膜のたわみが防止でき、張り
のある膜が得られる。また、第１のセンサ保持膜１０の
周辺部が厚いためセンサ支持部１３がさらに補強され、
赤外線センサ全体が破壊されにくくなった。また、セン
サ上での第２のセンサ保持膜１２は薄く設定されている
ため、塑性変形が容易となり、第２・のセンサ保持１１
に１２と焦電薄膜３とのはがれ等を防止する効果もある
。本実施例の構造によって、信号の乱れのない高感度の
焦電型赤外線撮像装置が得られた。

発明の効果本発明の焦電型赤外線固体撮像装置とその製造方法によ
れば、素子のクラック及び膜のたわみを防止でき、高感
度、高解像度の赤外線固体撮像装置を容易に得ることが
でき、また、歩留まりよく製造することができるため、
産業上の利用価値は趙い。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の第１の実施例における焦電
型赤外線固体撮像装置の構造を示す断面図及び平面図、
第３図は焦電型赤外線固体撮像装置とスリットとの関係
を示す断面図、第４図はセンサ保持膜の膜厚とたわみ幅
との関係を示す図、第５図は本発明の第２の実施例にお
ける焦電型赤外線固体撮像装置の構造を示す断面図、第
６図（ａ）〜（Ｃ）は同実施例の焦電型赤外線固体撮像
装置の製造工程を示す断面図、第７図は本発明の第３実
施例における焦電型赤外線固体撮像装置の構造を示す断
面図、第８図は従来の焦電型赤外線固体撮像装置の構造
を示す断面図である。１１１．支持基板、２９０．第１の電極薄膜群、３゜。、焦電薄膜、４．、、第２の電極薄膜群、５．、、セン
サ保持膜、８．、、センサ支持部、７．、、センサ保持
膜、８１１．レジスト膜、９．、、センサ保持膜、１０
．、、第１のセンサ保持膜、１１．、、取り出し電極、
１２゜０．第２のセンサ保持膜、１３．、、センサ支持
部。代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第図第図Ｕ〕城ｑり綜第図赤外線第図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）２次元に配列された第１の電極薄膜群と、この第
１の電極薄膜群が一方の表面に形成されている焦電薄膜
と、この焦電薄膜の他方の表面に前記第１の電極薄膜群
の１列を構成する単位電極薄膜と電気的に直列でかつ前
記第１の電極薄膜群と逆起電力となるように配列された
第２の電極薄膜群と、前記焦電薄膜を支持するように前
記第２の電極薄膜群上に形成されかつ前記焦電薄膜より
広面積であるセンサ保持膜と、前記焦電薄膜に直接接触
しないように前記センサ保持膜の周辺部と接触している
支持基板とで構成されている焦電型赤外線固体撮像装置
において、前記センサ保持膜が少なくともポリイミドを
主成分とし５μｍ以上の膜厚を有する有機物薄膜からな
ることを特徴とする焦電型赤外線固体撮像装置。
（２）有機物薄膜が２００℃以下の温度でイミド化され
たものであることを特徴とする請求項１記載の焦電型赤
外線固体撮像装置。
（３）２次元に配列された第１の電極薄膜群と、この第
１の電極薄膜群が一方の表面に形成されている焦電薄膜
と、この焦電薄膜の他方の表面に前記第１の電極薄膜群
の１列を構成する単位電極薄膜と電気的に直列でかつ前
記第１の電極薄膜群と逆起電力となるように配列された
第２の電極薄膜群と、前記焦電薄膜を支持するように前
記第２の電極薄膜群上に形成されかつ前記焦電薄膜より
広面積であるセンサ保持膜と、前記焦電薄膜に直接接触
しないように前記センサ保持膜の周辺部と接触している
支持基板とで構成されている焦電型赤外線固体撮像装置
において、前記センサ保持膜の周辺部の膜厚がセンサ上
での膜厚に比べて厚く設定されたことを特徴とする焦電
型赤外線固体撮像装置。
（４）センサ保持膜の周辺部の膜厚が、５μｍ以上であ
ることを特徴とする請求項３記載の焦電型赤外線固体撮
像装置。
（５）２次元に配列された第１の電極薄膜群と、この第
１の電極薄膜群が一方の表面に形成されている焦電薄膜
と、この焦電薄膜の他方の表面に前記第１の電極薄膜群
の１列を構成する単位電極薄膜と電気的に直列でかつ前
記第１の電極薄膜群と逆起電力となるように配列された
第２の電極薄膜群と、前記焦電薄膜を支持するように前
記第２の電極薄膜群上に形成されかつ前記焦電薄膜より
広面積である少なくともポリイミドを主成分とする有機
物薄膜からなるセンサ保持膜と、前記焦電薄膜に直接接
触しないように前記センサ保持膜の周辺部と接触してい
る支持基板とで構成されている焦電型赤外線固体撮像装
置の製造方法において、前記有機物薄膜上の前記焦電薄
膜の周辺部にレジスト膜によるエッチングマスクを形成
する工程と、酸素プラズマにより前記レジスト膜がすべ
てエッチングされるまで前記有機物薄膜をエッチングす
る工程とを含むことを特徴とする焦電型赤外線固体撮像
装置の製造方法。
（６）２次元に配列された第１の電極薄膜群と、この第
１の電極薄膜群が一方の表面に形成されている焦電薄膜
と、この焦電薄膜の他方の表面でかつ周辺部に形成され
た第１のセンサ保持膜と、前記焦電薄膜の他方の面に前
記第１の電極薄膜群の１列を構成する単位電極薄膜と電
気的に直列でかつ隣接する単位電極薄膜同士が逆起電力
となるように配列された第２の電極薄膜群と、前記第１
のセンサ保持膜上で前記第２の電極薄膜群と電気的に接
続された１列毎の取り出し電極と、前記焦電薄膜を支持
するように前記第２の電極薄膜群上に全体を被覆するよ
う形成された第２のセンサ保持膜と、前記焦電薄膜に直
接接触しないように前記第２のセンサ保持膜の周辺部と
接触している支持基板とで構成されている事を特徴とす
る焦電型赤外線固体撮像装置。
（７）第１のセンサ保持膜と第２のセンサ保持膜とが少
なくともポリイミドを主成分とする有機物薄膜からなる
ことを特徴とする請求項６記載の焦電型赤外線固体撮像
装置。